CC BY
44ОТ ТОЧЕЧНОГО К НАНОТРАНЗИСТОРУ
А. А. Щука
МИРЭА, Москва
From Pointed to Nanotransistor
A. A. Shyuka
Moscow Institute ofRadiotechnies and Electronics, Moscow
Приведена в порядок история транзисторизации науки и техники.
Putting in order background transistorization of science and engineering
Транзистору исполняется 60 лет. Сегодня транзистор является самым массовым изделием в мире. Микроэлектроника, в основе которой лежат транзисторные структуры, достигла впечатляющих успехов. Вот только несколько цифр:
— ежегодно поставляемые на рынок изделия микроэлектроники содержат примерно 1020 транзисторов. Это вполне сопоставимо с количеством звезд, которые можно увидеть на небе;
— в корпорации 1п1е1 себестоимость производства транзисторов упала до такой степени, что цена транзистора сопоставима с ценой печатания типографского знака в книге, например, запятой;
— скорость переключения транзистора составляет примерно триллион раз в секунду. Это эквивалентно тому, что человеку, для того чтобы провести столько же включений бытовым выключателем, понадобилось примерно 25 000 лет — 250 веков!
— современные микропроцессоры содержат миллиард транзисторов на чипе. Это означает, что расстояние между двумя транзисторами составляет одну десятитысячную толщины человеческого волоса.
Таких ярких примеров можно привести множество. Ясно, что такие впечатляющие успехи связаны с достоинствами планарной групповой технологии производства интегральных схем.
Вспомним некоторые вехи в истории становления и развития транзистора.
«Плохие» проводники
Современная микроэлектроника и полупроводниковая техника берет свое начало из опытов немецкого физика члена Берлинской Академии наук Томаса И. Зеебека и самоучки, члена Лондонского королевского общества, члена Петербургской Академии наук Майкла Фарадея. Первый в 1821 г. открыл явление тер-
моэлектричества в паре медь — висмут, а также материалов с участием теллура.
В 1833 г. М. Фарадей обнаружил, но не смог объяснить, почему сульфид серебра уменьшает свое сопротивление при нагревании. Известные в то время проводники электрического тока увеличивали свое сопротивление с повышением температуры. Ученые того времени проводники с выявленным Фарадеем эффектом назвали «плохими».
Прошло сорок лет. Уилоуби Смит открыл явление уменьшения сопротивления селена при его освещении светом. Такое поведение «плохого» проводника также никто объяснить не сумел. Год спустя член Берлинской Академии наук, лауреат Нобелевской премии Карл Ф. Браун обнаружил одностороннюю проводимость у некоторых сульфидов металлов. Его опыты по выпрямлению переменного тока в месте контакта свинца и пирита (минерал класса сульфидов) также объяснения не нашли. Зависимость тока от напряжения на контакте закону Ома не подчинялась!
Появились первые попытки практического использования подобных проводников. В 1876 г. У. Адамсон и Р. Дей изготовили первый фотоэлемент с запорным слоем, генерирующий ток без помощи внешнего электрического источника. Параллельно продолжались новые исследования. Член национальной американской Академии Эдвин Г. Холл в 1879 г. открыл гальваномаг-нитный эффект в проводнике с током, помещенном в магнитное поле. Теоретики тех лет могли объяснить поведение электронов в металлах. А вот для «плохих» проводников в магнитном поле объяснений не было.
Первым применением их в электросвязи был «фотофон», построенный изобретателем телефона А. Беллом. В нем звуковые волны вызывали колебания отраженного луча света. В качестве приемника излучения А. Белл использовал селеновый фотоэлемент, в котором в зависимо-
сти от интенсивности освещения генерировались звуковые колебания.
Ранним исследователям удалось выделить «плохие» проводники в один класс и назвать их полупроводниками. К ним стали относить вещества, имеющие значения удельной проводимости в интервале от 1012 до 106 1/Омсм В те далекие годы исследователи полупроводников имели дело с далеко не чистыми веществами, не существовало и элементарной теории строения вещества. Так, эффект выпрямления электрического тока в месте контакта с полупроводником сначала считали термическим явлением. И только в 1906 году Г. Пирс доказал электрическую природу выпрямления электрического тока. Его работы натолкнули исследователей на идею использования эффекта выпрямления тока в электротехнике и радиотехнике для детектирования сигналов.
Развитие беспроводной связи поставило задачу создания надежных детекторов электромагнитного излучения. Первые детекторы радиоволн были твердотельными. В них широко использовались точечные контакты полупроводника с металлическим острием. В качестве полупроводников использовались карбид кремния, теллур, цинковый халькопирит, галенит и др. Исследователи окончательно установили электрическую природу явления выпрямления тока, однако дать картину физических явлений в контакте металл — полупроводник никому не удавалось. Полупроводниковые кристаллические детекторы позволяли выпрямлять радиочастотные сигналы, но не были способны их усиливать.
В начале XX века стали бурно развиваться электровакуумные приборы, которые могли и детектировать электромагнитные волны (диод Дж. Флеминга), и их усиливать (аудион-триод Ли де Фореста).
Наряду с интенсивными исследованиями в области вакуумной электроники, шел поиск теоретического объяснения загадок полупроводников. На эти же годы приходится развитие и становление квантовой механики. Экспериментаторы задали теоретикам несколько вопросов — теоретики долго не могли молчать.
Вот эти вопросы о «плохих» проводниках:
1. Почему их сопротивление падает с ростом температуры?
2. Почему в месте контакта полупроводник — металл наблюдается односторонняя электропроводимость?
3. Почему при освещении полупроводника светом определенной длины волны в цепи возникает ток?
4. Почему в опытах Холла заряд носителей тока может иметь положительный заряд?
А эксперименты продолжались. В 1952 г. наш соотечественник О. В. Лосев, изучая свойства кристаллического детектора, обнаружил падающий участок вольт-амперной характеристики. Лосеву впервые удалось создать генерирующий детектор, способный детектировать и генерировать электромагнитные колебания. Прибор вошел в историю как кристадин Лосева. Он же первым открыл новое явление — свечение крис-
таллов карборунда при прохождении тока через точечный контакт. Лосев объяснил это существованием некоторого «активного слоя» в детектирующем контакте. Вот если бы он назвал бы его р-п переходом!
А тут и теория подоспела. В 1926 г. австрийский физик лауреат Нобелевской премии, иностранный член АН СССР и многих других академий Эрвин Шредин-гер разработал теорию движения микрочастиц — волновую механику. С ее помощью началось формирование представлений об электронных ансамблях, зонной теории валентности и т. п.
Блестящие идеи Альберта Эйнштейна, Макса Планка, Нильса Бора и других исследователей формировали квантовую механику, теорию поля, физику твердого тела и другие смежные с теорией полупроводников научные дисциплины.
Одна из первых удовлетворительных теорий полупроводников была построена членом Лондонского королевского общества Аланом X. Вильсоном. Он предложил зонную теорию, по которой энергетические состояния электронов в твердом теле создавали непрерывные зоны. Сложившееся в эти годы представление о структуре твердого тела привело к введению понятия «дырки». Эти дырки вели себя подобно возбужденным электронам, обладали подвижностью, характеризовали плотность тока. Термин «дырочная проводимость» впервые ввел советский физик член-корреспондент АН СССР Яков Френкель. К этому времени немецким физиком Вальтером Шоттки экспериментально было установлено два типа полупроводников — избыточных и дефектных. К избыточным он относил образцы окислов металлов, обладающих отрицательным значением эффекта Холла. Ныне их называют полупроводниками л-типа. Дефектными назывались образцы, имеющие положительное значение эффекта Холла (р-тип). Таким образом, в 1930-е гг. удалось разгадать три из четырех загадок «плохих» проводников. Осталось объяснить физическую природу явлений в контакте металл
— полупроводник. Ни одна теория тех лет не позволяла объяснить механизм выпрямления тока.
К этому времени удалось экспериментально получить слиток кремния, у которого с одной сторона была проводимость р-типа, с другой — и-типа. Вехой в истории науки стал момент, когда сотрудник фирмы Белл Рассел Оль вырезал из середины такого слитка образец, содержащий р-п переход. Это было в 1935 г. Этот год стал годом создания основы любого полупроводникового прибора — р-п перехода, позволяющего выпрямлять ток и генерировать фотоЭДС. Такой переход является основой и для дискретного транзистора, и для сверхбольшой интегральной схемы, содержащей миллионы таких переходов.
В конце 1930-х гг. советский физик, украинский академик Александр Сергеевич Давыдов, английский физик член Лондонского королевского общества Невилл Ф. Мотт и немецкий физик Вальтер Шоттки независимо друг от друга показали, что в полупроводниковых мате-
риалах вблизи границы электронного и дырочного типа проводимостей имеет место обеднение носителями заряда. Возникает эффективный барьер для равновесных электронов. Ток через такой р-п переход проходит свободно в одном направлении, а в другом плохо. Сопротивление такого перехода зависит от направления тока. Наш соотечественник. Выдающийся физик А. Давыдов обращал внимание на роль неосновных носителей — дырок — в электронном типе и электронов в дырочном типе полупроводников. Разработанная теория выпрямления тока в месте контакта веществ с разным типом проводимости получила блестящее экспериментальное подтверждение. Таким образом, была решена последняя загадка «плохих» проводников.
Первая транзисторная революция
В конце 30-х — начале 40-х прошлого века технология полупроводников позволяла получать чистые монокристаллы р- и п-типов и переходы между ними. Довоенное развитие радиолокации ставило перед промышленность задачу создания мощных источников высокочастотной энергии, детекторов СВЧ диапазона длин волн. Появились и первые ламповые электронновычислительные машины, отличавшиеся крайне низкой надежностью. Полупроводниковые детекторы по своим параметрам стали превосходить ламповые аналоги. Требовался полупроводниковый усилитель электрических сигналов некоторое подобие усилительных ламп. Электроника всегда выполняла заказ времени.
В 1938—39 гг. американские физики сотрудники фирмы Белл Вильям Шокли и Алан Холден пытались получить усилительный эффект путем изменения сопротивления угольных контактов, на которые оказывалось давление с помощью кварцевого кристалла. Попытка тоже оказалась неудачной, но Шокли не сдавался. Он опробовал идею создания полевой структуры путем нанесения кремния и германия на изоляторы. Получить полевой эффект не удалось.
Научный сотрудник компании Белл Джон Бардин объяснил неудачу Шокли присутствием в полевой структуре зарядов на поверхности полупроводника. Именно Бардин создал теорию поверхностных состояний. образования инверсионного слоя на поверхности полупроводника. Стратегией исследователей фирмы было получение усилительного эффекта путем управления током обратносмещенного точечного контакта на поверхности полупроводника. Это можно было получить путем использования эффекта. Изменяя напряжение на управляющем электроде, можно было бы управлять инверсионным слоем и, таким образом, изменять ток через точечный контакт. В зависимости от типа проводимости полупроводника управляющий сигнал должен иметь определенную полярность, а ток через точечный контакт — определенное направление.
Эксперименты начал Уолтер Браттейн, исследователь фирмы Белл. Он поместил точечный металличес-
Создатели транзистора: У. Браттейн (сидит), Д. Бардин,
В. Шокли
кий контакт на поверхность пластины германия n-типа, погруженной в электролит. Браттейну удалось получить усиление на низких частотах. Экспериментируя с Бардиным, они заметили, что если на электролит подать постоянное смещение, то происходит анодное травление германия. При этом на поверхности германия образуется окисная пленка. Было решено использовать эту пленку вместо электролита. Взяв другую пластину германия, они окислили ее, смыли электролит и нанесли золотой контакт. Снова получили усиление тока, но в этот раз обнаружили, что изменение управляющего напряжения вызывает изменение тока в противоположном ожидаемому направлению. Выявилось также, что вода смыла слой окисла и поэтому золотой контакт соприкасался непосредственно с германием Ученые поняли, что у управляющего электрода не было инверсионного слоя, а электрод сам инжектировал избыточные носители.
Они двигались по точечному контакту (коллектору) и увеличивали ток в цепи. Так как контакт германия с золотом был получен случайно, то результаты эксперимента были доложены членам исследовательской группы. Бардин разработал конструкцию усилителя, а Браттейн тут же ее реализовал.
Прибор заработал сразу!
Он имел два р-п перехода в виде двух металлических усиков, контактирующих с бруском поликристал-лического германия и был твердотельным аналогом электронной лампы.
Усилитель имел коэффициент усиления порядка 100 и работал до верхней границы звуковых частот. Имени у него еще не было. Сотрудники фирмы Белл назвали его transistor. Слово это синтезировано из двух: transconductance — крутизна вольт-амперной характеристики, известный параметр для электронной лампы, и transresistance — переходное сопротивление, характеризующее полупроводник.
Самый первый транзистор — точечный
На дворе был декабрь 1947 г.
Изобретение хранилось в строгом секрете. И только 1 июля 1948 г. газета «Нью-Йорк Тайме» на предпоследней странице в колонке «Новости радио» сообщила следующее: «Вчера фирма BELL TELEPHONE LABORATORIES (Уэст-стрит, 463) впервые продемонстрировала изобретенный ею прибор под названием «транзистор», который в некоторых случаях можно использовать в области радиотехники вместо электронных ламп. Прибор работал в радиоприемнике, схема которого не содержала обычных ламп. Было также показано его применение в телефонной системе и в телевизионном устройстве, управляемом с помощью приемника, расположенного на нижнем этаже.
В каждом из этих случаев транзистор использовался в качества усилителя, хотя фирма заявляет, что он может применяться и как генератор, способный создавать и передавать волны. Транзистор, имеющий форму маленького металлического цилиндра длиной около 13 мм, не содержит полости, из которой откачан воздух, сетки, анода или стеклянного корпуса, предохраняющего от попадания в прибор воздуха. Он начинает работу мгновенно, без задержки на разогрев, так как в отличие от радиолампы в нем нет накала. Рабочие элементы прибора состоят всего лишь из двух тонких проволочек, подходящих к кусочку твердого полупроводникового материала величиной с булавочную головку, приплав-ленному к металлическому основанию. Вещество, помещенное на металлическом основании, усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая проволочка отводит усиленный ток».
Эта новость потрясла научную общественность во всем мире.
А что же в СССР в передовой научной державе, способной ответить на любой вызов в области науки и техники? Аналогичные исследования велись в отраслевых и академических институтах. Авторами первого то-
Создатель первого отечественного транзистора Александр Викторович Красилов
чечного отечественного транзистора был Александр Викторович Красилов и его дипломница Сусанна Гука-совна Мадоян.
А. В. Красилов был в то время научным руководителем ряда научно исследовательских работ в НИИ-160 (ныне НИИ ИСТОК), в том числе и «Темы 627», а студентка Московского химико-технологического института Мадоян С. Г. выполняла дипломную работу по теме «Точечный транзистор». Лабораторный образец работал не больше часа, а затем требовал новой настройки. Это было в феврале 1949 г.
Лабораторные образцы германиевых транзисторов были разработаны также в стенах академических институтов Вулом Б. М., Ржановым А. В, Вавиловым В. С. и др. в ФИАНе, Тучкевичем В. М, Наследовым Д. Н. и др. в ЛФТИ, Калашниковым С. Г. в ИРЭ АН СССР. Спустя год после первой публикации о транзисторе фирма Белл наводнила ученый мир статьями и докладами, убедив военное ведомство не засекречивать прибор. Промышленности нужен был надежный транзистор, а не конструкция с проволочными усиками, капризная в работе и настройке.
В 1950 г. Дж. Бардин и У. Браттэйн получили патент на то-чечноконтактный транзистор, а в 1951 г. В. Шокли на плоскостной транзистор. Патенты посыпались, как из рога изобилия. Фирма БЕЛЛ в этом же году выпустила плоскостной транзистор Шокли. Контролировать примеси еще не умели, и трудно было получить два одинаковых по характеристикам транзистора.
В 1954 г. Пфан изобрел зонную очистку, с помощью которой стало возможным очищать от примесей полупроводники, а также равномерно распределять в кристалле нужные примеси. Открылась возможность
получать легированные слои, сплавные р-п переходы. Стало возможным освоить промышленный выпуск транзисторов.
В 1953 г. по инициативе Александра Ивановича Шокина в СССР был создан первый НИИ полупроводникового профиля — НИИ-35, впоследствии названный НИИ полупроводниковой электроники, а затем НИИ ПУЛЬСАР. Лаборатория А. В. Красилова была переведена в НИИ-35. В этой лаборатории С. Г. Мадоян были получены первые сплавные германиевые транзисторы. Работы по развитию этого направления, по расширению частотного предела и повышению отдаваемой мощности проводилась в тесном сотрудничестве НИИ-35 с лабораторией С. Г. Калашникова в ЦНИИ-108 Министерства обороны.
В этой лаборатории плодотворно трудились Н. А. Пенин, К. В. Якунина, Г. А. Кубецкий, Я. А. Федотов и другие видные ученые страны. В эти же годы в НИИ-160 молодые специалисты ФА Щиголь, Н. Н. Спиро ежедневно выпускали десятками первые промышленные образцы точечных транзисторов типа С1-С4, а в НИИ-35 М. М. Самохваловым разрабатывалась групповая технология, технология вплавления — диффузии для получения тонкой базы ВЧ-транзисторов. Дискретные транзисторы стали неотъемлемой часть серьезной аппаратуры различного промышленного и военного назначения, вошли в бытовую аппаратуру — переносные приемники, магнитофоны и прочее.
Первая транзисторная революция, о которой так много говорили физики, свершилась! Мир получил дискретные транзисторы, которые вытеснили вакуумные лампы в области радиотехники и вычислительной техники. Мир вплотную подошел к порогу второй транзисторной революции.
Вторая транзисторная революция
В 1952 г. на фирме GENERAL ELECTRIC была разработана технология изготовления плоскостных транзисторов путем приплавления индиевых таблеток к противоположным сторонам тонкой германиевой пластинки. Этот прибор получил название сплавной транзистор.
Транзисторы начали производить различные фирмы, специализирующиеся в электронике.
Каждый год радовал новыми типами транзисторных структур. Появились однопереходный транзистор, управляемый кремниевый выпрямитель, полевой транзистор, туннельный высокочастотный диод, точечные светодиоды... Все оно были дискретными полупроводниковыми приборами.
Начало второй транзисторной революции положил интегральный планарный транзистор. Фирма FAIRCHILD SEMICONDUCTOR разработала планарный процесс создания плоских транзисторных структур. В этом процессе эмиттерная область создавалась путем диффузии в базовую область, имеющую
форму слезы. В свою очередь базовая область сама получалась путем диффузии в подложку, служащую коллектором. Эту фирму создали молодые энергичные ученые, сотрудники Шокли: Ю. Клайнер, Д. Ласт, В. Гринич. Д. Герни, Ш. Роберте, Д. Бланка, Г. Мур и Р. Нойс.
Первый их прибор, изготовленный по методу диффузии, был мезатранзистор. Его форма напоминала плоскогорье и он мог работать на гигагерцовых частотах. Впервые был отработан планарный процесс, основанный на операциях диффузии и маскирования на основе пленок диоксида кремния. Легируя окисел примесями, специалисты фирмы сумели превратить его в эффективный пассиватор. С помощью планарного процесса удалось получить прочные и надежные плоские транзисторы. Присоединения проволочек к трем транзисторным областям осуществлялось не вручную, а путем напыления на окисел-изолятор металлических токопроводящих дорожек. Надо сказать, что при всех достоинствах этой технологии, характеристики транзисторов имели большой разброс, прежде всего из-за разброса параметров исходного материала.
В июне 1960 г. сотрудники фирмы BELL TELEPHONE LABORATORIES разработали новый технологический процесс, основанный на создании транзисторных структур в эпитаксиальном слое, выращенном на монокристаллической подложке. В этом случае характеристики устройств уже не зависели от материала подложки. Это позволяло также на толстой прочной подложке создавать транзисторы с тонкой базой и низким сопротивлением коллектора. Такие приборы могли работать на высоких частотах и обладать большой мощностью. Рост исследований в области полупроводников не успевал за потребностями промышленности. Объем выпускаемых транзисторов рос, но насытить рынок не удавалось. Среди причин был весьма трудоемкий способ сборки транзисторных структур. Требовалось много транзисторов, потому что только в компьютерах тех лет использовалось свыше 25 тыс. транзисторов и около 100 тыс. диодов. Спрос на компьютеры рос, а технология производства транзисторов была очень трудоемкой. Ведь каждую транзисторную структуру нужно было изготовить, сделать выводы и поместить в корпус.
Разработанная высокопроизводительная групповая технология производства транзисторных структур упиралась в технологию штучного корпусирования транзисторов!
Некоторые из разработчиков транзисторных структур не видели смысла в разделении пластины на отдельные транзисторы, которые после их корпусиро-вания собираются в схемы. А не проще ли и технологичней соединять транзисторы в единую схему прямо на пластине?
Двое ученых независимо друг от друга положительно ответили на этот вопрос. Джек Сент Клер Килби увлекся транзисторной электроникой в 1952 г. Он разработал крошечные слуховые аппараты. На фирме
Первый планарный транзистор типа «бычий глаз»
TEXAS INSTRUMENTS он занялся вопросами микроминиатюризации, в том числе разработкой микромодулей для войск связи. Он автор концепции создания резисторов (используя омические свойства кремния), конденсаторов на базе обратносмещенных переходов и транзисторов на одной пластине полупроводника.
Сначала Килби макетировал на дискретных элементах, соединенных золотыми проволочками. В начале 1959 г. ему удалось создать конструкцию триггера на кристалле монолитного германия. Килби подал заявку на выдачу патента на создание «твердой схемы». В 2000 году он был удостоен Нобелевской премии по физике.
В это же время научный руководитель компании FAIRCHILD SEMICONDUCTOR (шт. Калифорния) Роберт Н. Нойс искал способы создания интегральных диффузионных или напыленных резисторов, изоляции приборов друг от друга с помощью смещенных в обратном направлении переходов и соединения элементов друг с другом через отверстия в окисной пленке путем напыления металла на ее поверхность. Была подана заявка на патент и началась интенсивная работа. В начале 1960 г. уже проводились испытания на долговечность интегральных схем фирмы серии Micrologic.
TEXAS INSTRUMENTS заимствовала метод напыления металлических межсоединений, предложенный Р. Нойсом, и уже в марте 1960 г. выпустила первую интегральную схему, предназначенную для военной аппаратуры. К концу 1961 г. фирма поставила ВВС США небольшой компьютер с полупроводниковым запоминающим устройством в несколько сот бит.
Фирма FAIRCHILD к концу 1961 г. стала выпускать в достаточных количествах коммерческие интегральные схемы. Этот год дал старт многолетней гонке в области создания интегральных схем, их широкого применения во всех отраслях человеческой деятельности.
Первая промышленная интегральная схема: триггер
Стало возможным создание интегрального транзистора, интегральных диодов, резисторов и конденсаторов на основе транзисторной структуры, другими словами, всей элементной базы радиотехники и электроники того времени.
Новый этап в развитии электронной техники, микроэлектроники, начали пионерские работы Джека Килби и Роберта Нойса. Исследования разворачивались лавинообразно. В погоню за прибылью и рынком включилось множество фирм.
К 1965 году интегральные схемы выпускали и продавали более 25 фирм. Многие компании образовывались в Кремниевой долине (шт. Калифорния). Интересные разработки появлялись и в других странах. Так, схемы с инжекционной интегральной логикой были созданы одновременно в отделении фирмы IBM в ФРГ и фирме PHILIPS в Нидерландах.
Микропроцессор Intel 4004, содержащий 2300 транзисторов. 1971 г.
Роберту Нойсу и Гордону Муру стало тесно на старом месте и они создали новую фирму ШТЕЬ Согр, которая сначала прославила себя созданием МОП-транзисто-ров с плавающим затвором, нашедших широкое применение в стираемых программируемых постоянных запоминающих устройствах (СППЗУ). Затем фирма изготовила первый микропроцессор и до сих пор является лидером в их производстве и параметрах эксплуатации.
В Советском Союзе, как в передовой державе тех лет, микроэлектроника развивалась невиданными темпами. Руководству страны уже тогда было понятно, что без микроэлектроники страна безнадежно отстанет как. техническом перевооружении промышленности, так и в снижении военного потенциала.
Министерство электронной промышленности, возглавляемое А. И. Шокиным, развивало промышленность на первом этапе в соответствии с концепцией повторения и копирования американского технологического опыта на основе так называемой «обратной инженерии». Не без труда добывались образцы кремниевых интегральных схем, копировались и воспроизводились на отечественных предприятиях. Это относилось не только к разработкам интегральных схем, но и компьютерной техники. Такая стратегия имела как преимущество потому, что позволяла выиграть время на разработку определенного типа интегральной схемы. Однако были очевидные недостатки, связанные с повторением тупиковых путей развития.
Тем не мене микроэлектроника в Советском Союзе развивалась стремительно и по тем временам отставала только от промышленности США. Аналогом Кремниевой долины США стали предприятия Зеленограда. На рубеже семидесятых-восьмидесятых годов отечественная микроэлектроника была близка по своим научным достижениям и техническим возможностям к уровню мирового лидера. Запад стало беспокоить способность СССР идти в ногу с современным уровнем развития электроники.
Во многом такой результат был достигнут благодаря министру А. И. Шокину и его умению убедить правительство во всемерной поддержке отрасли. С этой целью министр организовывал научно-практические конференции и масштабные выставки по электронике, где и проводил «ликбез» для правительства, решал вопросы финансирования и материального обеспечения отрасли.
Вторая транзисторная революция сформировала интегральные схемы на базе интегральных транзисторов. Вторая транзисторная революция, о которой так много говорили разработчики электронной аппаратуры, свершилась!
Грядет ли третья транзисторная революция?!
Третья транзисторная революция
С 1980-х гг. идет жесткая борьба между фирмами за рынки сбыта и наивысшие достижения по степени интеграции, надежности, быстродействию, инфор-
мационной емкости интегральных схем. На сегодня существует более 100 заводов в мире, производящих интегральные схемы с топологическими нормами 1,0—1,5, примерно 80 производят сверхбольшие интегральные схемы с топологическими нормами 0,6—0,8 мкм, 25 — с 0,5, 14 — с 0,35 и 2 с топологической нормой 0,25 мкм.
Передовые страны большое внимание уделяют развитию микроэлектроники. Несколько крупных программ выполняется в США. В Европе создана программа «Развитие микроэлектроники европейского применения». В Японии существуют межфирменные программы при поддержке государства, а также государственная программа «Суперперспективные программы электроники». Южно-корейские фирмы разработали программу расширения производственной базы. Резко стартовали Китай, Вьетнам, разработав программу по импорту технологических процессов с целью быстрого выхода в мировые экспортеры интегральных схем.
В России с микроэлектроникой плохо. Объем производства упал и продолжает падать. Объем продаж электронной продукции в России не обеспечивает окупаемости вложений!?
На пороге нового тысячелетия развитие транзисторов и интегральных схем неизбежно столкнется с физическими и технологическими ограничениями.
Каждый шаг на этом пути сопровождался серьезными капиталовложениями в производство, разработкой новых технологических процессов. Так, например, микропроцессор РеПіит был реализован на быстрых биполярных и МОП-структурах. Новые же микропроцессоры, выполненные по 0,25 мкм топологическим нормам технологии. Устройство фирмы ШТЕЬ содержит около 7,5 млн. транзисторов, размещенных на кристалле площадью 1,27 см2 (один транзистор занимает около 15 мкм2). К 2000 г. достигнута степень интеграции порядка 40 млн. транзисторов. Уже в
Микросхема !П:є1 Pentium. 40 000 000 транзисторов. 2000 г.
Одноэлектронный транзистор. Фото со сканирующего электронного микроскопа
стадии внедрения технология с 0,18 мкм топологической нормой, а на подходе — 0,07 мкм. Это означает прорыв транзисторных структур в субмикронный диапазон. Такие размеры лежат вблизи порога фундаментальных ограничений при известных физических процессах, протекающих в транзисторе.
А что же дальше? Одни специалисты, видя бесперспективность традиционных кремниевых структур, ищут решения в хорошо забытых конструкциях, реализованных на новых материалах с помощью новой технологии.
Ряд исследователей разрабатывают нанотранзисторы, которые предположительно будут работать в наносхемах.
Другие исследователи развивают принципиально новые идеи, связанные с резонансным туннелированием электронов. Учитывая волновую природу носителей за-
Литература
1. Electronics. vol. 41, №4, 1968.
2. Электроника: прошлое, настоящее, будущее. Под ред. чл.-корр. АН СССР В. И. Сифорова. — М.: Мир, 1980.
ряда, методами гетероэпитаксиальной технологии создают полупроводниковые квантово-размерные структуры. Смело разрабатываются идеи создания одноэлектронных транзисторов, работающих по принципу «один обработанный электрон — один бит информации».
Одноэлектронный транзистор. Фото со сканирующего электронного микроскопа
Разрабатываются транзисторы на основе переноса и регистрации электронных спинов.
Новые идеи транзисторостроения связывают с появлением новых наноструктурных материалов. Транзисторы на нанотрубках выгодно отличаются от всех вышерассмотренных типов меньшими размерами, меньшим энергопотреблением.
Третья транзисторная революция разворачивает науку по всем фронтам с глубокими научными тылами.
Заключение
Вспоминаются слова выдающегося русского философа В. И. Ленина «...электрон также неисчерпаем, как и атом..».
При переходе к транзисторной наноэлектронике ожидается использование волновых свойств электрона. Процесс обработки и хранения информации может быть связан с перемещением волновой функции электрона, обработкой спинов электрона, наконец, перемещением единичного электрона.
Но это не все. Некоторые свойства электрона еще не используются в информационных системах. Все еще впереди.
А не пора ли шестидесятилетнему транзистору на пенсию, на заслуженный отдых? Есть только один ответ: — Нет, не пора!
3. Щука А. А. Микроэлектроника вчера и сегодня. В кн. Электроника. Учебное пособие./ Под ред. проф. А. С Сигова. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005.
